一種具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是機(jī)器人領(lǐng)域的可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的鉤爪式模塊化自重構(gòu)機(jī)器人。
技術(shù)背景
[0002]自重構(gòu)機(jī)器人是由多個(gè)基本模塊通過相同的連接裝置連接組成，通過調(diào)整模塊之間的連接方式來調(diào)整機(jī)器人的構(gòu)型，從而滿足不同環(huán)境、不同任務(wù)的需求，或者是剔除受損模塊，使機(jī)器人從受損狀態(tài)中恢復(fù)過來。按照機(jī)器人形態(tài)改變方式可分為鏈?zhǔn)綑C(jī)器人、晶格式機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人。
[0003]鏈?zhǔn)綑C(jī)器人通過多個(gè)模塊之間的連接組成鏈?zhǔn)交驑錉罱Y(jié)構(gòu)，具有代表性的鏈?zhǔn)綑C(jī)器人有PolyB0t、CKb0t、CONRO等。其中，PolyBot包含主動(dòng)模塊和節(jié)點(diǎn)模塊兩種基本模塊，前者具有兩個(gè)接口 ；后者是剛性的立方體，六個(gè)面都具備可連接功能，但自身不具備運(yùn)動(dòng)能力。
[0004]晶格式模塊化機(jī)器人在三維空間內(nèi)具有規(guī)則分布，通過改變模塊在虛擬網(wǎng)格內(nèi)的位置來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變形。此類機(jī)器人的代表有Miche、Catoms> I_Cube。
[0005]移動(dòng)式模塊化機(jī)器人的每個(gè)模塊均是一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。日本名古屋大學(xué)研制的CEBOT機(jī)器人和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)開發(fā)SWARM-bot機(jī)器人是移動(dòng)式模塊化機(jī)器人的代表。
[0006]上海交通大學(xué)的曹其新等人于2009年提出了一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基于CORBA接口的模塊化機(jī)器人，包括:移動(dòng)模塊、機(jī)械手臂模塊、視覺傳感器模塊、電源模塊、控制模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊。
[0007]上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊等人于2010年提出了一種主從式模塊化機(jī)器人，包括若干機(jī)器人單元，每個(gè)機(jī)器人單元分別與相鄰的四個(gè)機(jī)器人單元相連，每個(gè)機(jī)器人單元包括:三棱柱主模塊、三棱柱從模塊和兩個(gè)連接模塊。
[0008]北京航空航天大學(xué)的魏洪興等人于2012年提出了一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機(jī)器人，由至少三個(gè)機(jī)器人單體組成，并且機(jī)器人單體中要同時(shí)包括正槳機(jī)器人單體和反槳機(jī)器人單體，所述的機(jī)器人單體是多邊形的中空柱體結(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)器人單體由地面運(yùn)動(dòng)模塊、主動(dòng)對(duì)接模塊、被動(dòng)對(duì)接模塊、傳感定位模塊、飛行動(dòng)力模塊和控制模塊組成。
[0009]天津理工大學(xué)的葛為民等人于2013年提出了一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的可移動(dòng)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，包括:U型外架、U型內(nèi)架、電機(jī)架、電機(jī)、內(nèi)架連軸件、主被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)腿機(jī)構(gòu)。
[0010]上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊等人于2014年提出了一種雙柱形自重構(gòu)模塊化機(jī)器人，包括若干個(gè)機(jī)器人單元，每個(gè)所述機(jī)器人單元包括三棱柱主模塊、三棱柱從模塊、第一鉤爪式連接模塊和第二鉤爪式連接模塊。
[0011]綜上所述，自重構(gòu)機(jī)器人在技術(shù)上已取得了較大的進(jìn)步，但在連接機(jī)構(gòu)的可靠性方面和單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方面仍是模塊化自重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中模塊化機(jī)器人單個(gè)模塊設(shè)計(jì)上存在的連接機(jī)構(gòu)不夠可靠穩(wěn)定和單個(gè)模塊不具有運(yùn)動(dòng)能力的問題，提供一種具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊。模塊結(jié)構(gòu)的樣式定型為長(zhǎng)方體形狀，具有空間對(duì)稱性，能夠完成多種鏈?zhǔn)阶冃蔚男枰浣Y(jié)構(gòu)樣式實(shí)際簡(jiǎn)單實(shí)用。
[0013]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0014]所述的具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊主要包括:一個(gè)U型外架，一個(gè)U型內(nèi)架，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，五個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；一個(gè)底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，及內(nèi)架與外架連接組件和旋轉(zhuǎn)底座組件；
[0015]其中，U型外架包括:外主動(dòng)側(cè)板、外被動(dòng)側(cè)板、中間板，兩塊側(cè)板分別連接在中間板的兩側(cè)，形成U型外架；
[0016]U型內(nèi)架包括:一個(gè)內(nèi)L型板(由內(nèi)L型板的側(cè)板和中間板構(gòu)成)和一個(gè)內(nèi)I型板，將內(nèi)L型板與內(nèi)I型板連接形成U型內(nèi)架；
[0017]內(nèi)架與外架連接組件包括:內(nèi)主動(dòng)側(cè)板、內(nèi)被動(dòng)側(cè)板，兩塊側(cè)板分別安裝在U型內(nèi)架兩側(cè)，形成一個(gè)無蓋的內(nèi)架立方體，所述內(nèi)架立方體開口處呈圓形；所述的內(nèi)被動(dòng)側(cè)板外側(cè)板上設(shè)有圓形凸臺(tái)，圓形凸臺(tái)中間開有一個(gè)用于安裝第一連接板的方孔，所述圓形凸臺(tái)與U型外架的外被動(dòng)側(cè)板上的圓孔配合；所述的內(nèi)主動(dòng)側(cè)板的外側(cè)開有齒輪安裝槽，齒輪安裝槽內(nèi)安裝驅(qū)動(dòng)齒輪副，驅(qū)動(dòng)齒輪副中的驅(qū)動(dòng)小齒輪安裝在內(nèi)主動(dòng)側(cè)板的內(nèi)側(cè)板上固定的主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸上，驅(qū)動(dòng)齒輪副中的驅(qū)動(dòng)大齒輪與U型外架的外主動(dòng)側(cè)板內(nèi)側(cè)板固定連接，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣使U型內(nèi)架裝配到U型外架上，且U型內(nèi)架與U型外架配合能夠進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，提供U型內(nèi)架相對(duì)U型外架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；
[0018]旋轉(zhuǎn)底座組件包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座基板、一個(gè)第二連接板、一個(gè)電機(jī)安裝架；所述旋轉(zhuǎn)底座基板的內(nèi)側(cè)板上設(shè)有圓形凸臺(tái)，圓形凸臺(tái)與所述內(nèi)架立方體的圓形開口配合，所述圓形凸臺(tái)中間開有用于安裝第二連接板的方孔，所述第二連接板嵌裝在旋轉(zhuǎn)底座基板上的方孔內(nèi)；所述底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)通過電機(jī)安裝架安裝在內(nèi)主動(dòng)側(cè)板的內(nèi)側(cè)板上，所述底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸與所述第二連接板上的中央孔固定配合，通過第二連接板帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座基板在U型內(nèi)架構(gòu)成的內(nèi)架立方體上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單元模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述旋轉(zhuǎn)底座基板上設(shè)置有一個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，可與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接；
[0019]主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)包括:四個(gè)鉤爪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和直流電機(jī)及其固定架；其中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在第三連接板上，第三連接板嵌裝在U型內(nèi)架的內(nèi)I型板中間的方孔內(nèi)，直流電機(jī)通過兩個(gè)電機(jī)固定架固定安裝在第三連接板上，直流電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四個(gè)鉤爪轉(zhuǎn)動(dòng)向外伸出第三連接板表面進(jìn)行連接動(dòng)作；四個(gè)鉤爪的分布設(shè)置上，有三個(gè)鉤爪的旋轉(zhuǎn)方向是同一方向，最后一個(gè)鉤爪相對(duì)其他三個(gè)是反向安裝及旋轉(zhuǎn)，這樣的鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與其他模塊正常對(duì)接時(shí)，同時(shí)也完成了兩個(gè)連接板的位置姿態(tài)矯正的功會(huì)K ;
[0020]所述主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:一個(gè)大錐齒輪、三個(gè)小錐齒輪、一個(gè)連接大直齒輪、一個(gè)連接小直齒輪、兩個(gè)短連接軸和一個(gè)長(zhǎng)連接軸；所述的大錐齒輪與連接大直齒輪固結(jié)在一起，連接大直齒輪在下方，連接大直齒輪和連接小直齒輪相互嚙合并安裝于第三連接板內(nèi)側(cè)板上的對(duì)應(yīng)凹槽內(nèi)，長(zhǎng)連接軸通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，長(zhǎng)連接軸中部與一個(gè)小錐齒輪固定連接，該小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，長(zhǎng)連接軸的兩端各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個(gè)短連接軸同樣通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，兩個(gè)短連接軸同軸且與長(zhǎng)連接軸垂直，兩個(gè)短連接軸上分別與一個(gè)小錐齒輪固定連接，并各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相反，兩個(gè)短連接軸上的小錐齒輪與大錐齒輪嚙合；直流電機(jī)輸出軸通過與之固定的連接小直齒輪來帶動(dòng)第三連接板上的連接大直齒輪和大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再由大錐齒輪帶動(dòng)其他三個(gè)小錐齒輪旋轉(zhuǎn)，完成直流電機(jī)對(duì)鉤爪的傳動(dòng)；
[0021]五個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在U型外架的中間板的外表面、裸露在U型外架的外被動(dòng)側(cè)板上的圓孔外的內(nèi)被動(dòng)側(cè)板上的第一連接板的外表面、U型內(nèi)架的內(nèi)L型板的側(cè)板和中間板的兩個(gè)外表面以及旋轉(zhuǎn)底座組件中的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板中的第二連接板的外表面，每個(gè)連接板上設(shè)有八個(gè)長(zhǎng)方形通孔，由于自動(dòng)連接機(jī)構(gòu)是鉤爪式的連接方式，并且四個(gè)鉤爪里有三個(gè)是同一方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)鉤爪是反向運(yùn)動(dòng)，所以八個(gè)長(zhǎng)方形通孔分為四組呈兩兩對(duì)稱式分布在各連接板四周，并與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的四個(gè)鉤爪的位置分別對(duì)應(yīng)，使單元模塊的連接板與連接板之間能夠在360°方向自由對(duì)接；
[0022]所述的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊共有2個(gè)自由度，分別為U型內(nèi)架與U型外架之間360°旋轉(zhuǎn)自由度，以及整個(gè)單元模塊相對(duì)旋轉(zhuǎn)底座基板的360°旋轉(zhuǎn)的平面自由度，以滿足不同構(gòu)型之間的變換。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024]本發(fā)明最重要的就是單個(gè)模塊具有靈活性和可靠性非常高的運(yùn)動(dòng)功能。實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊在地面上可靠直行和轉(zhuǎn)動(dòng)。使得執(zhí)行任務(wù)前多個(gè)模塊可以各自或兩兩組合到達(dá)目標(biāo)位置，然后重構(gòu)出所需構(gòu)型完成任務(wù)。
[0025]由于U型外架與內(nèi)架的360°旋轉(zhuǎn)和第三被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)及多種連接方式，使得多個(gè)模塊的組合種類更多，用于多種不同的場(chǎng)合和完成各種復(fù)雜的任務(wù)。
[0026]由于U型內(nèi)架在地面上如同特殊輪式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程對(duì)地面的要求比較低，只要沒有非常大的障礙，一些小